LA作品 | 低成本高效能的生态化污水处理系统——飞来峡海绵公园

全文刊登于《风景园林》2023年第6期 P77-81

闾邱杰  曹景怡

低成本高效能的生态化污水处理系统——飞来峡海绵公园

1 项目背景

根据联合国环境规划署发布的数据，世界上有超过80%的污水未经处理就排放到环境中，尤其是在发展中国家的非城市中心区域，污水排放导致的环境污染严重威胁着人类的生存健康。偏远地区经济发展迟缓、污水处理配套设施不完善、污水设备维护费用高昂等导致污水直接排放成为普遍现象，如何以低维护成本、高运转效率的景观策略来解决这些落后地区所面临的水处理问题，成为致力于改善落后地区人居环境的风景园林师的挑战。

生态化污水处理系统的核心要素

设计团队以广东飞来峡海绵公园的项目实践为例，从景观策略的角度出发，结合低影响开发（low impact development, LID）技术、植被、土壤基质、建造成本、维护成本的研究，探讨如何构建一个具有普适性的低成本高效能的生态化污水处理系统。

生态化污水处理系统技术框架

飞来峡海绵公园位于广东省清远市，是广东省水利试验基地（以下简称基地）内一个中心湖区的改造项目，总面积约2 hm²，处于城市基础设施建设较为薄弱的区域。基地周边没有污水处理厂，基地内来自实验区、办公区与生活区的污水长期经简单的二级化粪池处理后直接排入中心湖，导致湖水水质逐年恶化，呈劣V类，同时基地还面临植被衰败、生物多样性日渐丧失等生态系统退化的问题。除此之外，改造前的基地周边雨水基本采用传统的快排模式，暴雨期间湖泊水体浑浊，加剧了水质恶化和水土流失等问题。因此亟须开发低成本高效能的污水处理技术，解决基地的日常雨、污水排放问题，恢复中心湖区的水质和生态系统。通过使用景观策略，满足使用者对提升人居环境的需求，成为基地内宜人、宜居、宜水的多功能生态公园。

2 生态化污水处理系统构建过程

有别于传统的生态化污水处理工程项目，本项目由景观设计团队主导研究与实践。并在项目规划初期与华南理工大学生态研究团队组成课题研究小组。LID设施具有处理污水和改善水质的能力且易实施、成本低的特点，研究小组提出了利用LID设施、植物和基质构建生态化污水处理系统取代成本高昂的传统工程的设想。3项核心的研究内容为：1）研究LID设施的最佳组合配比以实现污染物去除效率最大化；2）评估和筛选植物及基质以实现污水处理系统的运行效能最优化；3）将建设成本和维护成本纳入污水处理系统原型的综合评估当中。

台地式污水管理系统

2.1  LID设施的最佳组合配比

能处理污水、改善水质、稳定水质的LID设施最为理想，其中潜流湿地、雨水湿地、湿塘、生态浮床在场地中易于实施，且对污水中的有机物、氮磷化合物具有不同程度的去除和净化功能。研究小组选择潜流湿地、雨水湿地、湿塘、生态浮床作为研究对象，结合SWMM软件、项目建设经验及市场调研数据等设计2个阶段的模拟实验。

1）模拟单一LID设施在场地内运行的污水处理效能和成本效益分析。根据现场踏勘资料建立SWMM模型，采用控制变量法分别模拟4个LID设施在场地内的运行过程，根据建设前后的出水口情况，计算其污染物削减率，同时叠加LID设施建设和维护成本进行综合评估，结果表明，潜流湿地对污染物处理效率最佳，但建设成本和维护成本高昂，不宜进行大规模建设；雨水湿地可适当处理低浓度污染物，建设成本和维护成本适中；湿塘的建设成本和维护成本较低，但无法独立处理生活污水；生态浮床的建设成本和维护成本最低，虽不能独立消解高浓度污染物，但可用于提升水质。因此，单一的LID设施无法妥善处理场地内的污水问题。

2）模拟不同规模的LID设施组合在场地内运行的污水处理效能和成本效益分析。在第一阶段的基础上借鉴正交实验法进行研究，根据正交实验法则，将4个LID设施作为组合因子，通过改变不同因子的设计规模作为第二层级的组合因子并进行排列组合，在SWMM软件中模拟9组LID设施组合模型的径流控制率，总固体悬浮物（TSS）和总麟（TP）的去除率，并叠加建造及维护成本，最终确定低成本高效能的最优组合方式。模拟结果表明：当潜流湿地、雨水湿地、湿塘、生态浮床4种LID设施占面积比例为4.76%、15.87%、71.43%以及7.94%的时候，本项目的污水处理策略能达到最优效能，是低成本高效能的污水处理系统最优组合方式。

雨水和污水共同管理路径分析

台地形式的人工湿地水处理流动路径

2.2  植物和基质的评估和筛选

植物和基质是构建低成本高效能的生态化污水处理系统的另外2个关键因素。植物能有助于去除污染物和提升净化能力，基质对生活污水中的有机物、氮磷化合物有较好的去除效果。研究小组对当地植物苗圃和基质供应商进行考察调研，从污染物积累、成本和维护3个方面进行对比统计分析，最终确定符合设定条件的植物和基质材料。

研究小组从当地苗圃中筛选了15种常见的水生植物品种，它们具有不同的去污能力，且在购买成本、运维难度和景观效果等方面性价比较高，并在种植后的3年中持续跟踪它们的生长情况。经过实践，选择具有发达的根系的水生植物品种，例如花叶美人蕉、花叶芦竹、芦苇、灯芯草、旱伞草、风车草、水葱、金鱼藻、姜花、香蒲、肾蕨等，更有利于吸收氮磷污染物，生命力更强，易于管理，该项策略可达到低成本高效能的目标。

研究小组以化学需氧量（COD）去除率、铵氮（NH₄⁺-N）去除率、TP去除率、购买成本和运行年限为标准，对10种常见基质进行综合评估发现：沸石和生物陶粒对氮磷的吸附能力强，易于再生，可作为潜流湿地系统末端的净化材料；凹凸棒土具有良好的吸附和离子交换性能，能有效去除污水中的有害物质，价格低廉，可作为种植层使用；砾石对生活污水中的有机物具有一定的去除效果，且易于获取，可作为前端净化材料和覆盖层使用。

打造宜人、宜居、宜水的多功能生态景观

3 项目实践

3.1  构建台地式污水管理系统

根据场地的坡地地形特征，研究小组将生态化污水处理系统分为5级进行设计，分别是预处理设备、潜流湿地、雨水湿地、湿塘、生态浮床，彼此形成串联关系，污水通过污水管进入预处理设备进行简单的有机物处理后进入后面的LID设施中逐级净化，台地式的结构解决了场地局促、高差大等导致的污水处理系统难以布局实施的问题，并使该系统具有无动力运行的优势，进一步节约了运维成本。研究小组还创新性改进了填料在潜流湿地中布局方式，采用了先水平后垂直的布局方式，增加了湿地填料与污水的接触面积，提高其污水处理效能。

建成后场地内的水质和环境得到较大改善

3.2  构建雨水管理系统

生态化污水处理系统不仅可以有效处理场地内排放的生活污水，同时对场地内的雨水管理起着重要作用，研究小组在进行系统设计时，同时考虑了污水处理和面源污染处理的管理路径。结合场地现状，本系统处于整个园区的最低点，为了避免雨水直接进入系统下游湿塘中造成污染，研究小组在场地周边增设了生态碎石渠、植被缓冲带、透水铺装、雨水花园等LID设施，优化组织雨水径流，与生态化污水处理系统共同收集、滞留、调蓄和净化雨水，实现了对污水和雨水的共同管理的需求。

污水处理系统与景观空间实现高度融合

3.3  修复生态环境

为了更好地维持生态化污水处理系统的运行，研究小组进一步使用了生态技术手段对场地进行生态修复：1）在园区内种植了120余种乡土植物，形成可自发演替的、低人为干预的植物群落，优化植物组团设计，形成移步异景的景观花境；2）利用生物操纵技术构建水生动物群落，提升湿塘水质，抑制水体富营养化，营造自然生态的生境；3）利用蜂巢格室护坡技术构建生态护坡，在防止水土流失的同时设计流畅曲折的驳岸岸线，营造有利于水质改善和栖息地保护的微地形，为蜻蜓、青蛙、鱼类提供庇护场所。综合性的生态技术手段提升了公园的生物多样性，使之成为一个健康的、自然的水生态环境。

生态浮床

湿地内净化的雨水经过低堰步道跌入湿塘中

3.4  提升人居环境

作为整个公园的核心区域，设计者围绕着台地式污水管理系统精心进行了景观设计：增设漫步栈道、阳光草坡、眺望台、亲水平台等景观空间，设置蜿蜒曲折的岸线，营造草坡入水的软质驳岸，在湖中置入天蓝色的游船和船桨，共同营造出如诗如画的世外桃源景象。游人可站在眺望台上俯瞰整个公园的生态景观，或可慢行于湖面栈道，近距离接触潺潺流水、植被、鱼、青蛙和昆虫，穿梭于乡土植物构建出的花海与密林之中，与自然对话，并在游览过程中了解雨水和污水的收集和净化流程。伴随着植物的不断生长和演替，公园内的植被越发密集，这里成为真正意义上的具有能够唤醒公众尊重自然、保护生态意识的公共空间。

雨水湿地承接来自潜流湿地的雨水和污水尾水进行二次净化

4  效益评估

本项目以250元/m²的建造成本，将原本生态恶劣的污水塘及其周围环境改变成集休闲、启智、生态等多功能于一体的办公休闲绿地，相比传统的污水处理工程手段节省了近40%的成本，产生了良好的经济效益。从2018年建成至今已经运行5年，该污水处理系统每天可处理约50 m³的生活污水，相当于80人/d的生活污水产生量，每年可减少污水排放约1.8万t。经过追踪监测，基地内水质逐渐恢复地表水Ⅲ类水质标准，并逐渐形成可持续的稳定化的水生态环境。

5 结语

未来，越来越多的污水处理项目将面临类似复杂的诉求，如经费制约、环境修复、娱乐审美、科教启智等。这需要从业者打破多专业壁垒，深度参与技术研究、设计施工和后期跟踪等各个环节，提高方案的设计精度与科学性。目前，飞来峡海绵公园已被推广为水生态技术示范区，受到了社会的广泛关注，同时为生态化污水处理系统的普及发挥了重要的作用，更重要的是，该系统具有高度的可复制性，可为世界各地遭受污水污染的地区提供了一种通用解决方案，从而改善基础设施建设欠发达地区的生活环境。

项目位置：广东省清远市

项目面积：2.1 hm²

业主单位：广东省水利水电科学研究院

景观设计单位：广州怡境规划设计有限公司

设计人员：闾邱杰、彭涛、张坚、林容寿、曹景怡、周广森、关晓芬、蔡伟群、崔文娟、陈惠华、何广宇、谢佛森、付绍斌

施工单位：广州市华慧园林工程有限公司

设计时间：2018 年 8 月 8 日

竣工时间：2018 年 12 月 13 日

图片来源：广州怡境规划设计有限公司

所获奖项：2021 年美国ASLA Professoonal Awards-Research Category-Honor Award

              2021 年 IFLA ASIA-PAC LA Awards 建成类公园和开放空间优秀奖

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